王慧，董玉華，王平

(1. 北京城市排水集團有限責任公司，北京 100044; 2. 中國石油大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163714； 3. 北京博華信智科技股份有限公司，北京 100029)

0 引言

透平壓縮機是天然氣輸運、石油開采及煉制、煤液化及煤化工等能源工業(yè)及化工工業(yè)的核心設備[1]。壓縮機主要有透平壓縮機、離心壓縮機、軸流壓縮機及往復壓縮機等。往復式壓縮機轉(zhuǎn)速低、流量小但壓比高，與之相反的透平式壓縮機轉(zhuǎn)速高、流量大但壓比低，但隨著制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在大多透平式壓縮機的壓比也已趕上往復式壓縮機，往往都是提高透平壓縮機轉(zhuǎn)速，隨著其轉(zhuǎn)速的提高意味著轉(zhuǎn)子具有更大的能量，軸及壓縮機內(nèi)各部件需要承受更大的載荷。一旦壓縮機內(nèi)構(gòu)件出現(xiàn)故障，比如軸的裂紋、軸承磨損、密封失效、軸及葉片斷裂時，都會導致壓縮機工作效率下降，甚至出現(xiàn)安全事故，其中尤其以轉(zhuǎn)軸斷裂造成的損失最為嚴重，所以保證壓縮機安全、穩(wěn)定的運行至關(guān)重要。

傳統(tǒng)檢測和監(jiān)測大型轉(zhuǎn)子裂紋的方法大體有3種：1) 在設備停機后，用無損檢測的方法檢測轉(zhuǎn)子上的裂紋，如有裂紋即對轉(zhuǎn)子進行更換或修復，例如陳志廣[2]等主要研究了無損檢測技術(shù)在監(jiān)測透平壓縮機表面缺陷的應用與發(fā)展，指出目前無損檢測技術(shù)包括：射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測和滲透監(jiān)測等；楊劍鋒[3]等研究了分子聲發(fā)射信號與轉(zhuǎn)軸裂紋擴展之間的關(guān)系，并通過實驗驗證了聲發(fā)射技術(shù)在轉(zhuǎn)軸裂紋監(jiān)測上的可行性，但是這些方法都只適用于設備停機狀態(tài)，不適合運行中設備的實時監(jiān)測。2) 通過FEM數(shù)值仿真進行疲勞壽命估算，陸山[4]等針對航空發(fā)動機主軸疲勞壽命預測的問題，采用有限元法計算預測主軸疲勞壽命；丁鎮(zhèn)軍[5]等利用Ansys軟件對葉片進行了動力學分析，確定了裂紋深度及位置對故障振動信號頻率及幅值的影響；W.Maktouf[6]等利用有限元分析幾個多軸疲勞構(gòu)件的模型，通過模型仿真及試驗研究，驗證了有限元對所分析構(gòu)件壽命預測的準確性?；谟邢拊ㄞD(zhuǎn)軸的疲勞壽命預測都要受到具體轉(zhuǎn)軸材料質(zhì)地等因素的影響，所以這種技術(shù)實際還是建立在無損檢測基礎上，無法用于對設備的實時監(jiān)測，并且大多數(shù)研究都是針對葉片轉(zhuǎn)子展開的，對于轉(zhuǎn)軸的研究很少。3) 通過監(jiān)測轉(zhuǎn)子在運行中振動信號幅值和相位的變化，HongkunLi[7]等針對離心式壓縮機葉輪初始裂紋特征信號微弱的問題，通過將連續(xù)小波變換和包絡分析兩種信號特征提取技術(shù)相結(jié)合提出了葉片初始裂紋分類的方法；劉朝山[8]等利用在多臺大型機組轉(zhuǎn)軸附近安裝水平和垂直方向的傳感器，對機組存在的缺陷進行診斷分析；李宏坤[9]等利用壓力傳感器對葉片裂紋進行監(jiān)測，并利用平方包絡譜對信號進行分析及進行試驗驗證；陳長征[10]等利用聲發(fā)射技術(shù)采集風電機組葉片的疲勞裂紋信號，使用優(yōu)化小波技術(shù)提取故障特征從而監(jiān)測葉片在運行過程中的狀態(tài)。但上述研究大部分是對葉片裂紋的監(jiān)測，或是對比啟停機過程振幅與相位參數(shù)的變化，而對于石油化工等連續(xù)生產(chǎn)行業(yè)設備，常常運行2～3年均不停機的轉(zhuǎn)子將受到一定程度的限制，對于幅值或相位緩慢突變的情況上述方法存在很大的弊端，并且缺少對主軸裂紋監(jiān)測的技術(shù)。

1 診斷透平壓縮機主軸裂紋的新方法

對于運行過程中已存在轉(zhuǎn)軸裂紋的轉(zhuǎn)子，其裂紋的開合狀態(tài)均存在于轉(zhuǎn)子的上方和下方，但是傳統(tǒng)的監(jiān)測轉(zhuǎn)子軸的傳感器均采用徑向安裝，而且通常是斜上45°安裝，位于轉(zhuǎn)子軸的側(cè)面，因此對于裂紋在轉(zhuǎn)子上方和下方開合時的響應并不敏感；裂紋開合必然引起軸向位移，而裂紋開合的軸向效應必然會體現(xiàn)在推力盤上，因此監(jiān)測軸位移動態(tài)信號的傳感器無論安裝在0°、90°、180°、270°任何位置都不會漏測裂紋效應產(chǎn)生的動態(tài)信號。這里提出通過監(jiān)測分析轉(zhuǎn)子軸軸向振動信號的交流成分從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸裂紋故障的診斷。

經(jīng)過多年的對往復式壓縮機、離心式壓縮機、汽輪機等轉(zhuǎn)動設備轉(zhuǎn)子軸斷裂前期振動狀態(tài)監(jiān)測、各類振動信號分析對比，發(fā)現(xiàn)采用不同的監(jiān)測方式和不同的傳感器信號對監(jiān)測診斷轉(zhuǎn)子軸的裂紋發(fā)展趨勢的效果有很大區(qū)別，有的監(jiān)測在轉(zhuǎn)子軸斷裂數(shù)天前也沒有明顯異常，而另外的監(jiān)測結(jié)果是在轉(zhuǎn)子軸斷裂數(shù)天前振動信號就出現(xiàn)異常趨勢，情況不一，很難準確判斷。

傳統(tǒng)監(jiān)測診斷轉(zhuǎn)子裂紋習慣是采集分析轉(zhuǎn)子的徑向振動信號，但是，一般都是在機組軸承座上安裝兩支與過軸中心線的鉛垂或水平面成45°夾角的電渦流傳感器測量徑向振動。由于傳感器安裝的位置檢測不到轉(zhuǎn)子軸橫向裂紋轉(zhuǎn)到底部、頂部時裂紋開合的狀態(tài)，即裂紋最大與最小張開位移時對應的振動幅值，因為傳感器越是靠近轉(zhuǎn)子軸的側(cè)面，檢測到的轉(zhuǎn)子橫向裂紋開合引起橫向振動的響應越小，而測到的信號又容易同其他引起振動的因素混淆，所以傳統(tǒng)的徑向監(jiān)測手段對于轉(zhuǎn)子軸裂紋的監(jiān)測存在很大的弊端。

軸向位移傳感器多是在推力盤附近安裝了兩支傳感器，由于靠近軸頭位置，容易測到裂紋開合所引起的倍頻振動幅值的變化。并且通過實際應用發(fā)現(xiàn)利用軸向電渦流位移傳感器，所采集的軸位移信號中的交流動態(tài)振動信號，對于監(jiān)測診斷某些大型轉(zhuǎn)動設備轉(zhuǎn)子軸的裂紋開裂過程更有效。

傳統(tǒng)的電渦流位移傳感器采集的轉(zhuǎn)子軸位移信號，基本是用來監(jiān)測轉(zhuǎn)子的軸位移變化，在軸位移值超過停機報警值時，觸發(fā)停機連鎖，起到保護機組的作用。在這個過程中監(jiān)測保護系統(tǒng)，利用的是電渦流位移傳感器，采集到軸位移信號的直流量，所關(guān)注的是推力軸瓦的狀態(tài)，而其中的交流快變動態(tài)量，多年來在監(jiān)測診斷過程中沒有被重視和充分利用。多年的實際應用證明，這部分信號可以有效地用于監(jiān)測診斷透平壓縮機組的多種不同類型故障，例如監(jiān)測診斷預報推力瓦組件的損壞等，也包括轉(zhuǎn)子軸斷裂過程的監(jiān)測診斷，特別適合沒有經(jīng)常啟停機條件的連續(xù)運行設備的轉(zhuǎn)子裂紋監(jiān)測。

2 實際應用效果

2.1 采集系統(tǒng)

采用BH公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集器及其開發(fā)的一整套信號分析處理軟件在線監(jiān)測透平壓縮機的運行狀態(tài)。為了充分說明透平壓縮機轉(zhuǎn)子主軸軸向的位移信號識別主軸裂紋的有效性，同時采集主軸軸向和徑向振動信號進行分析。如圖1所示，為了簡潔明了地說明分析，圖1只表示出了機組主要的部件以及最具代表性的測點。

圖1 機組振動監(jiān)測簡圖

實際透平壓縮機組的振動監(jiān)測往往忽略軸向振動，但經(jīng)過多年的故障分析以及許多成功案例顯示，透平壓縮機主軸的軸向振動位移信號中的交流成分可以有效地監(jiān)測診斷透平壓縮機組的多種不同類型故障，例如監(jiān)測診斷預報推力瓦組件的損壞以及轉(zhuǎn)子軸裂紋故障等。相對于交流信號成分，其中直流成分可以顯示推力瓦軸承以及主軸的當前狀態(tài)。直流成分一般都用來判斷轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)，交流成分一直沒有得到重視。

2.2 成功案例

1) 轉(zhuǎn)軸裂紋監(jiān)測診斷的傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)的通過徑向振動信號診斷轉(zhuǎn)軸裂紋的方法中，最有效的就是監(jiān)測對比轉(zhuǎn)子過1/2、1/3等臨界轉(zhuǎn)速時的1、2、3倍頻信號幅值改變程度和觀察對比轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的改變量，也就是軸裂紋的徑向振動信號特征，只有在機組啟停機轉(zhuǎn)子升降速時才有明顯的表現(xiàn)，但是石化等流程企業(yè)中運行的大型機組，通常運行周期多在一年以上，中途不會為了檢查轉(zhuǎn)子裂紋而做停機升降速試驗，這樣對企業(yè)來說少則是幾百萬元、多則是數(shù)千萬元的損失，而轉(zhuǎn)子軸的裂紋從生成到擴展斷裂，時間就短得多，因此就需要有一個新的方法，在轉(zhuǎn)速變化不大的正常運轉(zhuǎn)中，監(jiān)測診斷轉(zhuǎn)子軸裂紋的生成與擴展。

基于目前廣泛存在的難以監(jiān)測分析轉(zhuǎn)子在升速或降速過程中信號的問題，這里通過同時監(jiān)測轉(zhuǎn)子軸向位移信號，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下通過對比分析轉(zhuǎn)子徑向信號來證明轉(zhuǎn)子軸向信號對于監(jiān)測診斷轉(zhuǎn)子軸裂紋故障的有效性。

2) 轉(zhuǎn)軸裂紋監(jiān)測診斷的新方法

在利用振動在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)監(jiān)測大型透平壓縮機組的過程中，分析發(fā)現(xiàn)渦流位移傳感器的軸向動態(tài)振動信號是一個很有用的信號。通過一個實例介紹利用這個信號監(jiān)測轉(zhuǎn)子軸向振動數(shù)據(jù)來診斷轉(zhuǎn)子主軸裂紋開裂的方法。

通過監(jiān)測分析石化企業(yè)中一臺驅(qū)動離心壓縮機組的汽輪機，設計工作轉(zhuǎn)速6 500r/min，一階臨界轉(zhuǎn)速：4 020r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速：8 150r/min，多塊可傾滑動軸瓦，迷宮密封，入口蒸汽壓力：3.8MPa，出口蒸汽壓力：0.008MPa，振動報警值—峰峰值38μm，振動停機值-峰峰值65μm。

該機組某年5月29日軸向位移傳感器所測信號動態(tài)振動幅值開始增大，當時振幅63μm，3天后增大到165μm，軸斷裂后停機前軸向動態(tài)振幅增大到396μm。但是徑向振動狀態(tài)沒有變化。在關(guān)注轉(zhuǎn)子徑向振動的同時，特別關(guān)注轉(zhuǎn)子軸向位移振動信號中，快變動態(tài)量振動幅值的變化，事實上轉(zhuǎn)子徑向振動確實沒有明顯變化。

轉(zhuǎn)子徑向快變動態(tài)量振動幅值的振動變化趨勢圖如圖2(a)所示，圖2(b)是轉(zhuǎn)子軸軸向快變動態(tài)量振動幅值的振動變化趨勢圖。圖3是轉(zhuǎn)子裂紋發(fā)展時間歷程中，轉(zhuǎn)子軸軸向3個不同時間的振動信號幅值頻譜圖。

圖2 徑向和軸向振動趨勢圖

圖3 轉(zhuǎn)子軸軸向3個不同時間的頻譜圖

從圖2(a)可以看到，在6月1日之前的34天中，轉(zhuǎn)子同一局部位置的徑向振動幅值基本沒有變化,說明機組在轉(zhuǎn)速和負荷變化不大的條件下,轉(zhuǎn)子裂紋生成及發(fā)展對徑向振動的振幅影響不明顯；圖2(b)是同一部位轉(zhuǎn)子軸向振動信號,軸向位移信號動態(tài)幅值，即軸向位移傳感器所測的交流信號振動幅值,在5月27日到6月1日僅僅4天的時間里，軸向交流信號振動幅值就從62μm-峰峰值，增大到165μm-峰峰值，并且在軸斷之前振幅突然增大到382μm-峰峰值，如圖3所示。在這個過程中的軸向振動信號的1倍頻值也隨通頻振幅同步增大，例如：5月27日16點55分，通頻62μm-峰峰值時對應的軸向1倍頻幅值46μm；5月30日20點19分，通頻107μm-峰峰值對應的軸向1倍頻幅值90.6μm；5月27日16點55分通頻62μm-峰峰值對應的軸向1倍頻46μm；6月1日0點33分軸斷前，通頻382μm-峰峰值對應的1倍頻333μm。其他軸向分量中，僅2倍頻變化較大，軸向振動2倍頻在此期間，由16μm增加到88μm，其他分量變化不明顯，具體變化見圖3。

以上分析說明在機組運行狀態(tài)下，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和負荷變化較小的條件下，相對于徑向振動信號振幅值，軸向振動的幅值對靠近推力盤強度較低部位的主軸橫向裂紋更加敏感，特別是在轉(zhuǎn)子推力盤側(cè)存在疲勞源的狀態(tài)下，而且這種軸向監(jiān)測診斷手段不必引進相位信號，反而更加方便。

3 驗證與總結(jié)

在轉(zhuǎn)子軸向振動幅值明顯增大的5天之后，機組振動過大停機。停機過程中，轉(zhuǎn)子軸斷裂；斷軸之前，軸向動態(tài)振幅達到382μm，解體檢查轉(zhuǎn)子靠近推力盤一側(cè)軸斷裂，轉(zhuǎn)子斷裂的照片如圖4、圖5所示。

圖4 停機解體斷軸圖

圖5 斷口照片

利用軸向振動信號監(jiān)測診斷透平壓縮機組，對于推力瓦組件損壞、斷軸等故障，可以在利用徑向振動信號監(jiān)測診斷透平壓縮機組故障的同時，充分發(fā)揮軸向振動信號的作用，利用軸向電渦流位移傳感器采集的軸位移信號中的交流動態(tài)振動信號，對于監(jiān)測、診斷、預報透平壓縮機軸瓦部件損壞、轉(zhuǎn)子主軸斷裂非常有效，有時可以起到徑向振動信號達不到的效果。